輕量化製造：鋁板衝壓

本文討論輕量化金屬：鋁合金板料衝壓的一些要素。這包括衝壓間距 die clearance，模具半徑die radius，沖頭半徑 punch radius，最小彎曲半徑 minimum bend radius，圓頭杯零件 cup，方形零件 rectangular，餘量極限 overhang limit，和附加物 addendum。

汽車可以通過優化設計和使用輕質材料來減重。鋁合金是合適的選擇：質量輕，而且一些鋁合金的強度甚至高於結構鋼。鋁的密度約為鐵的35%，銅的30%。

通過摻雜合金元素（錳，硅，銅，鎂或鋅）和冷加工硬化，鋁合金強度可以加倍。甚至一些熱處理過的鋁合金，其拉伸強度達到700 MPa。

鋁的楊氏模量約為鋼的1/3，所以鋁製品的剛度在理論上也會減少。為了克服這個問題，一般採用兩種方法：1，增加肋條,2,增加厚度。

鋁合金的屈服強度低於鋼。所以，在總體強度，抗凹陷，吸能，抗衝擊等方面，鋁衝壓板低於鋼製。2系和6系鋁合金在變形後可以烘烤硬化來提高屈服強度。另外，需要額外的設計來彌補強度的損失。為了得到優良的鋁合金衝壓件，以下是一些模具和零件的設計準則僅供參考。

衝壓間距 die clearance

如圖1中uD，是沖頭和模具表面間距。如果間距過大，成品為圓錐而非圓柱。如果間距太小，熨燙成形（ironing，均勻變薄）開始，變形力和斷裂的危險都增加。

模具 die

衝壓深度一般要小於任意拐角半徑的7倍，或者拐角半徑（<6.35 mm）的12倍。

半徑 radius

模具半徑rD取決於工件厚度。為了降低拉伸力，rD需要增加。然而，rD變大，翼緣和壓緊區的接觸面積則變小，起皺可能性變大。對於鋁合金衝壓，建議rD約為5-10倍板厚。

沖頭半徑 punch radius

選擇合適的沖頭半徑rp是衝壓成功的一個基本條件。對於厚度大的小部件，建議使用大過度角來預防過渡區的厚度的減少。rp必須不小於rD，防止穿透材料。對於鋁合金沖塔，建議rp約為8-10倍板厚。若大於10倍板厚，起皺可能性增大，因為金屬包圍著沖頭拐角時候環向壓應力較大。

最小彎曲半徑 minimum bend ratio

圖2給出了對於不同鋁合金，建議的最小彎曲半徑和板厚的比率。

圓杯拉伸cup

越高強度合金，單次拉伸的最大深度要越小。沖頭周長和板周長的比例至少要0.5（2024-O或者5052-O鋁合金），以及0.3（6061-T4/T6鋁合金）。模具拐角半徑應該是板厚的5-10倍。

長方體零件 rectangular

見圖3。拉伸深度要小於任何拐角半徑rC（12.7-25.4毫米）的7倍，或者小於6.35毫米拐角半徑的12倍。拉伸和拐角半徑都要大於板厚的5倍；底部rB範圍是板厚的3-8倍。對於3003-O，2024-O和5052-O鋁合金，零件長寬比約是0.6（當拐角半徑達到9.52毫米）和0.75（當拐角半徑大於12.7毫米）。小於60度的拐角會降低可拉伸的深度。

餘量極限 overhang limit

餘量極限是指一些模具無法支撐的材料量。鋁合金的最大餘量極限要小於板厚的75倍。圖4顯示了板厚50倍的餘量極限是可以接受的。若餘量太大，在收縮翼緣區由於壓力會引起起皺。

附加物 addendum

附加物是額外的模具特徵來協助衝壓。一般位於沖頭開線但在切割線之外。附加物會經管切割工序而移除。附加物的作用如下：根據夾具設局的過渡特徵；防止起皺和斷裂；協助下一步工序如垂直翻邊。只有當決定需要才設計附加物。是否使用附加物是由設計和工藝師決定，一般依據經驗。附加物的種類包括深拉牆，掛鉤，枕塊，泡等。其中深拉牆和掛鉤是最常用的。

深拉牆 draw walls

深拉牆是直面，連接沖頭開線和成品邊緣。其參數包括長度，角度和兩端半徑。通過改變長度和角度，深拉牆也被用於控制金屬流入量。對於鋁合金衝壓，深拉牆的沖頭半徑應該為20毫米，見圖6。拉深筋距離模具半徑16-20毫米。較大半徑有助於得到均勻化應變，較小半徑可能導致材料斷裂。對於鋁合金，模具半徑一般為10毫米。建議角度要大於6度。隨著拉深深度增加，角度也要增加以防止極端成形條件。若金屬流入量過大，則增大角度。

掛鉤 drawbars

掛鉤類似於誇大的拉深筋，一般屬於沖頭而另一半屬於模具，見圖6。掛鉤作用是消除起皺，通過補償由拉深深度差值引起的多餘的金屬。建議沿著直邊的沖頭半徑9-12倍板厚以及拐角半徑要大於12倍板厚。掛鉤半徑至少要20毫米。對於鋁合金衝壓，掛鉤距離拉深筋為16-20毫米。在設計試錯階段，若斷裂，則可減少深度和增大拉深筋半徑。若起皺，則可增大深度和減少拉深筋半徑。拉深筋深度也會影響切邊線。修邊線應該在直邊上而非半徑。所以，任何附加物半徑半徑要低於切邊線約6毫米。

參考書

1. Aluminum Standards and Data (Washington, D.C.: The Aluminum Association, 2000), p. 1-1.

2. K. Lange, Handbook of Metal Forming (New York: McGraw-Hill Company, 1985), p. 20.1

3. T. Burk, "Addendum Design Methodology and Tool Design for Aluminum Sheet Metal Forming," Diploma Thesis, Metal Forming Institute, University of Stuttgart, Germany, 1994.